淺談水工混凝土的腐蝕

曹 靜 雷春娟

1 概述

水工建筑物投資大,結構重要性高,使用年限長,根據我國水利經濟規范(SD-139-85)規定,鋼筋混凝土及混凝土水工建筑物的使用期,大型為80年,小型為50年。許多新建工程如跨海大橋、核電工程等更將耐久性目標定在75年～120年。如在預定的使用期限內出現耐久性失效,不僅影響建筑的正常工作,還會造成巨大的經濟損失。許多過早出現破損現象的工程為了延長使用年限而投入的檢修、加固和改建的費用,有時竟超過原投資數倍。我國目前的基礎設施建設工程規模宏大,每年高達2萬億元以上。約30年～50年后,這些工程也將進入維修期,所需的維修費用和重建費用將更為巨大。且水工建筑物長期處于潮濕環境中工作,易受到環境水及空氣中腐蝕物的影響。其中混凝土腐蝕是影響大壩混凝土耐久性的一個重要原因。

2 腐蝕類型

2.1 混凝土碳化腐蝕

空氣中包括的CO2不斷地透過混凝土中未完全充水的粗毛細孔擴散到混凝土內部充水的毛細孔中,與其中的空隙液所溶解的Ca(OH)2產生中和反應,生成的鈣鹽,稱為碳化。

碳化降低混凝土孔隙中的pH值,破壞鋼筋表面的鈍化膜,而使鋼筋產生銹蝕。如福建東溪水庫運行20年后,大壩混凝土出現嚴重破壞,達到35 mm～60 mm。實際工程中采用鑿除碳化表面,再用NBS乳液配制的丙乳砂漿抹面處理,隔絕空氣中CO2的滲入,取得了很好的效果。

2.2 堿骨料反應

堿骨料反應是混凝土中所含的堿(Na2O或K2O)與骨料的活性成分反應,在混凝土澆筑成型后數年至數十年逐漸反應,反應生成物吸水膨脹,導致混凝土工程開裂,稱為堿骨料反應損壞。

堿骨料反應主要分為三類:堿—硅反應、堿—硅酸鹽反應和堿—碳酸鹽反應。其中,具有活性氧化硅的骨料(主要有蛋白石、玉髓、磷石英、微晶石英等)在與水泥中的堿發生反應時,產生凝膠的同時體積可膨脹3倍左右。

由于天然集料資源貧乏或受到開采條件的限制,某些工程會采用活性氧化硅成分較高的石料,又如果使用堿總含量大于0.6%的水泥,則活性集料與水泥中的堿物質反應時將發生體積膨脹,導致混凝土脹裂,甚至破壞。因反應的因素在混凝土內部,其危害作用往往是不能根治的,是混凝土工程的一大隱患。如吉林豐滿水庫修建時所用的水泥含堿量達到0.9%～1.57%,但活性骨料引起的膨脹率很小,目前只是在壩前水位變化區有混凝土表面脫落現象,有待長期觀察。

我國現代水利工程起步較晚,吸取了國外堿骨料反應毀壞和重建的教訓,從20世紀50年代以來采用摻大量混合材的水泥以及在現場摻活性摻合料等措施,如大量生產使用的礦渣水泥,其中礦渣含量高達60%～70%,或其摻量不宜小于20%的粉煤灰,這些措施可將混凝土的膨脹量降低75%,起到了緩解與抑制堿骨料反應破壞作用。

2.3 有害介質的腐蝕

空氣、水或土壤中含有不同濃度的酸、鹽和堿類侵蝕性物質,當其滲透進入混凝土內部,發生物理或化學反應后,使混凝土遭受腐蝕。主要分為溶蝕性腐蝕和結晶膨脹性腐蝕。

2.3.1 溶蝕

水泥中的Ca(OH)2發生水解,在壓力水的作用下不斷流失。當CaO被溶出達到25%時混凝土抗壓強度下降36%,抗拉強度下降60%,溶出約33%時,混凝土將變得疏松而失去強度。

2.3.2 酸性侵蝕

水工建筑物工作的環境中含有大量的氯鹽、鎂鹽和硫酸鹽,再與混凝土中的Ca(OH)2反應生成易溶鹽類。而Cl-又會增大混凝土的孔隙率,削弱材料內部結構,進一步侵蝕混凝土。各類水泥抗化學腐蝕性能見表1。

表1 各類水泥抗化學腐蝕性能

3 腐蝕的防止

1)合理選用水泥品種,降低鋁酸三鈣的含量,提高抗硫酸鹽腐蝕。2)降低水灰比、選用合適的骨料級配。減少水泥石中毛細孔隙的生成,并在混凝土外表面進行涂層處理,阻止腐蝕性物質進入。3)采用非活性骨料。減小堿骨料反應的可能性。4)摻入摻合料、引氣劑。減少混凝土腐蝕時的體積膨脹。

4 結語

水工混凝土的腐蝕是一個緩慢而長期的過程,各類水工建筑所處的環境各不相同,所用的骨料、水泥和礦物組成千差萬別,這些都給水工混凝土腐蝕原因的界定帶來困難。細致的調查研究分析,積極探索防止和抑制水工混凝土腐蝕的措施方法,做到未雨綢繆,更好地保障水工混凝土的耐久性和安全性。

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